工業用冷卻水塔智慧節能技術

摘要：隨著全球工業化程度的不斷提高，對冷卻水塔的需求也在不斷增加，在COVID-19後改變的商務環境中，全球冷卻水塔市場在2022年已達37億美元，預計在2030年前達到54億美元的規模，並將以4.9%的年複合成長比率增加，而半導體廠務用電(冷卻水塔、冰機、空調箱及空壓系統)占半導體產業用電47%，其中冷卻水塔又占了11.1%的廠務用電。在全球節能減碳的趨勢下，本文的三大功能包含，冷卻水塔健康狀態的監測、風扇傳動預兆診斷系統及智慧節能最佳化預測，有助於降低能源成本，並減少產業的碳排放。
Abstract：With the continuous advancement of global industrialization, the demand for cooling towers is steadily increasing. In the evolving business environment post-COVID-19, the global cooling tower market reached $3.7 billion in 2022 and is projected to reach $5.4 billion by 2030, with an expected annual compound growth rate of 4.9 %. The power consumption of semiconductor facility operations (including cooling towers, chiller, air handling units, and compressed air systems) accounts for 47% of the electricity usage in the semiconductor industry. Among these, cooling towers contribute to 11.1% of the facility's electricity consumption. Aligned with the global trend of energy conservation and carbon reduction, this article encompasses three key functions: monitoring the health and efficiency of cooling towers, prognosis monitoring system of the fan drive system, and intelligent optimization prediction. These features contribute to reducing energy costs and mitigating carbon emissions within the industry.

關鍵詞：健康狀態、預兆診斷系統、智慧節能最佳化預測
Keywords：Health and efficiency, Prognosis monitoring system, Intelligent optimization prediction

前言
冷卻水塔(cooling tower)是一種排熱裝置，利用水作為冷卻劑，將系統中的熱量排放至大氣。其流程為水循環經過熱交換器設備後，進入到冷卻水塔，並通過散熱材進行冷卻，在冷熱水交換的過程中，利用蒸發散熱，並通過風扇快速將熱量帶走，最後冷卻水滴落在水池中，利用循環泵浦送至製程熱交換器元件或是冷水主機冷凝器，再度進行散熱(熱交換)，如圖1所示，整個廠務空調用電比例中，冷卻水塔又占約11.1%能耗[1]。

圖1 冷卻水塔運作示意圖

工業用冷卻水塔市場面臨的主要挑戰包括，能源價格的波動、原材料價格上漲以及環保法規的變化，能源價格的波動對冷卻水塔市場帶來了不確定性，可能影響生產成本和銷售價格，原材料(如鋼、塑料等)價格上漲，對生產商造成成本壓力，進而影響市場價格，隨著各國政府對環保法規的不斷加強，生產商需要應對法規變化，投入資金和技術進行產品升級，然而，隨著全球節能環保意識的提高，節能型冷卻水塔將成為市場的主流產品，為生產商帶來新的商機，以及在新興市場需求增加，如亞洲、非洲和拉丁美洲，工業化程度正在加快，對冷卻水塔的需求將持續上升，並隨著科技的發展，冷卻水塔的性能不斷提升及節能減碳的新穎手法，能夠更好地滿足各行業的需求，推動市場的發展。
現階段大多冷卻水塔的風扇及水量的操作全憑操作人員經驗，沒有量化標準，而為求謹慎，大多調整保守，或依照經驗調整，易造成能源浪費，比較有節能概念的廠商則會更換為變頻馬達，以及利用冷卻水塔出水溫度進行閥值設定，來控制風車啟停的數量以節約能源耗損。在冷卻水塔風扇傳動系統方面，只能透過定期檢修，一旦發生異常，則面臨產線降載及停產之風險。
工業用冷卻水塔智慧節能技術
本文主要應用於2000 T/H以上之大型工業用冷卻水塔，且適用於製程熱交換器的冷卻，系統主要分為三個功能模組，第一是冷卻水塔健康狀態監測模組，用來查看各關鍵組件的運作狀態，並計算水塔效率作為使用者在維運上參考指標，第二是風扇傳動預兆診斷系統模組，針對冷卻水塔重要的風扇傳動系統之組件，例如：馬達及減速機，安裝振動感測器，並導入預兆診斷專家系統，提供設備健康指標、故障診斷及壽命預測等功能，第三是智慧節能最佳化預測模組，建立屬於自己的專用的智慧節能模型，利用出水溫度的調整空間，來建議節能的操作參數，達到低能耗減碳的運轉目的。
1. 冷卻水塔健康狀態監測模組
首先，所有的節能技術始於冷卻水塔周邊感測器的建置，如流量計、溼球溫度計、差壓計、冷／熱水溫度計、風扇馬達電流傳感器及加速規等，每個冷卻水塔機組的cell(座)數量會依據現場熱負載而有所不同，每cell(座)水塔將規劃流量計、差壓計、熱水溫度計及風扇馬達電流傳感器各1組，冷水溫度計4組，加速規4組，以及溼球溫度計2組(每個機組)，如圖2所示。在各感測器配置的位置部份，流量計的安裝於回水管路上，主要量測每cell(座)水塔的水流量；差壓計則是安裝於塔頂，主要量測塔內散水層與大氣的壓差；熱水溫度計則安裝於回水管路，用以量測回水溫度；風扇馬達電流傳感器大多安裝於電氣室的盤體內，主要量測風扇馬達的電流；冷水溫度計安裝於冷水槽內的四個象限中心點，主要量測冷卻後的出水溫度；加速規則安裝於風扇馬達的固定側及出力側，以及減速機的入力側及出力側，總共4個點位，主要用來監測馬達及減速機的設備健康狀態；最後溼球溫度計則是安裝於冷卻水塔回風處，主要量測回風處的環境溼球溫度；以上為整個系統所需建置的感測器種類、位置及數量，可以知道要達成冷卻水塔智慧節能技術，工欲善其事，必先利其器，必須先建立冷卻水塔的感知能力，使之數據化、可視化，進而達到智慧化之目的。

圖2 冷卻水塔感測器配置圖